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由于近红外材料在光通讯、生物检测、军事等方面展现出宽广的应用前景,人们对这类材料的研究表现出浓厚的兴趣。目前研究较多的近红外材料是线型共轭小分子和聚合物。小分子常通过蒸镀来制备器件,但操作复杂;聚合物容易成薄膜,但分子量不确定,形态变化大时其光电性能变动也较大。较高分子量的盘状大分子既有确定的分子结构,性能稳定,也能成薄膜,利于器件制备。本论文通过将电子给体与受体共轭连接,设计并合成了系列窄带隙有机化合物,研究了其结构与性质的内在关系。主要工作内容和结果如下:
(1)基于给受体分子结构,结合计算机模拟,增加分子的共轭程度,设计并合成了一系列易溶的有机小分子Ⅲ-1至Ⅲ-4,研究了它们的光物理及电化学性质。改变给体、受体和连接基团,可以调节化合物的吸收、发射和能级结构。甲苯溶液中的吸收波长的峰值范围为746-1003nm,对应的发射波长的峰值范围为1035-1290nm,化合物相应的带隙为1.27-0.71 eV。四个化合物都是成膜性好的近红外发光材料。
(2)设计并合成了系列以枝状噻吩为给体,噻吩并咪唑类萘/花四羧酸二酰亚胺或噻吩并三亚吡嗪为受体的盘状化合物。Ⅳ-1至Ⅳ-4的吸收覆盖了紫外-可见区域,并拖尾至1000nm以上,其带隙为1.24-1.19 eV。是同类化合物中溶解性较好的化合物。Ⅳ-5至Ⅳ-7的带隙为1.70-0.97 eV。该系列化合物均有电致变色性质,氧化还原可逆。氧化状态时会出现独特的光通讯波长(1310和1550nm)附近的宽的吸收峰,摩尔吸光系数大于10-4 L mol-1 cm-1,且有好的可逆性。化合物在不同基底上会形成不同形状的聚集体,表现出盘状化合物特有的性质。
(3)研究了喹吖啶酮类线型化合物的性质。通过硫代反应将分子中的C=O基转换成C=S基,以此调节了分子的HOMO和LUMO能级,带隙从2.39 eV降至1.35 eV。二硫代化合物V-3的分子间的作用比V-1更强。该类化合物在酸性条件下吸收波长会红移。与V-1相比,喹吖啶酮衍生物V-4吸收波长红移,带隙变小。